DE10307367A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung von gasbetriebenen Motoren - Google Patents

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Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Regelung von gasbetriebenen Motoren. Es wird eine meßtechnische Erfassung des Verbrennungsdruckes in mindestens einem Zylinder des Motors durchgeführt. In Abhängigkeit von einer Auswertung des Verbrennungsdruckes wird eine Steuerung der Brennstoffzufuhr durchgeführt. Der Verbrennungsdruck wird in jedem Zylinder meßtechnisch erfaßt und anschließend ausgewertet. Die Auswertung wird zeitlich unmittelbar nach der meßtechnischen Erfassung der Druckwerte durchgeführt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung von gasbetriebenen Motoren, bei dem eine meßtechnische Erfassung des Verbrennungsdruckes in mindestens einem Zylinder des Motors durchgeführt wird und bei dem in Abhängigkeit von einer Auswertung des Verbrennungsdruckes eine Steuerung einer Brennstoffzufuhr durchgeführt wird.
  • Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Vorrichtung zur Regelung von gasbetriebenen Motoren, die mindestens einen Sensor zur meßtechnischen Erfassung des Verbrennungsdruckes in mindestens einem Zylinder des Motors aufweist und die mit einer Auswertungseinheit für eine Analyse des Verbrennungsdruckes sowie mit einer Steuereinheit zur Vorgabe einer Brennstoffzufuhr versehen ist.
  • Gasbetriebene Motoren werden typischerweise mit Brenngasen als Kraftstoff betrieben und für unterschiedliche Einsatz fälle verwendet, beispielsweise als stationäre Motoranlagen. Zur Brennstoffversorgung können unterschiedliche Gaskomponenten eingesetzt werden, bekannt ist beispielsweise die Verwendung von Wasserstoff oder höherwertigen Kohlenwasserstoffen. In Abhängigkeit von den jeweiligen Betriebsbedingungen kann es bei der Verbrennung im Motor zu unzulässigen Verbrennungserscheinungen kommen. Nachteilig sind insbesondere ein klopfender Betrieb oder eine zu schnelle Energieumsetzung. Durch derartige unzulässige Verbrennungserscheinungen werden die Sicherheit des Motorbetriebes, die abgegebene Leistung sowie der Wirkungsgrad negativ beeinflußt. Darüber hinaus sind auch Beschädigungen an Motorkomponenten nicht ausgeschlossen.
  • Zur Vermeidung derartiger unzulässiger Betriebszustände erfolgt in der Regel eine Auslegung der Motoren derart, daß ein relativ großer Sicherheitsabstand zu kritischen Betriebsbereichen eingehalten wird. Eine derartige Betriebsweise führt jedoch nicht zu optimalen Betriebsbedingungen, da weder eine optimale Leistungsabgabe noch ein optimaler Wirkungsgrad erreicht wird.
  • Zur Erkennung von klopfenden Verbrennungen ist es bereits bekannt, mit Hilfe von Körperschallaufnehmern eine Überwachung zu realisieren und hierdurch den Motor vor einem unzulässigen klopfenden Betrieb zu bewahren. Ein derartiges Verfahren liefert aber nur sehr eingeschränkte Informationen im Hinblick auf den Verbrennungsablauf.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der einleitend genannten Art derart zu verbessern, daß ein optimierter Motorbetrieb unterstützt wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Verbrennungsdruck in jedem Zylinder meßtechnisch erfaßt und anschließend ausgewertet wird und daß die Auswertung zeitlich unmittelbar nach der meßtechnischen Erfassung der Druckwerte durchgeführt wird.
  • Weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der einleitend genannten Art derart zu konstruieren, daß ein optimierter Betrieb des Motors unterstützt wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeder Zylinder mit einem Sensor zur meßtechnischen Erfassung des Verbrennungsdruckes versehen ist, daß jeder der Sensoren mit der Auswertungseinheit verbunden ist und daß die Auswertungseinheit als Teil eines geschlossenen Regelkreises zur Motorsteuerung ausgebildet ist.
  • Durch die zeitlich unmittelbar auf die Meßwerterfassung folgende Auswertung und die unmittelbare Beeinflussung der Regelungsvorgänge in einem geschlossenen Regelkreis ist es möglich den Motor nahe an einem vorgegebenen Optimum zu betreiben, ohne daß unnötig große Sicherheitsabstände eingehalten werden müssen. Der Motor kann hiermit sowohl im Hinblick auf die Leistungsabgabe, den Energieverbrauch sowie die Standfestigkeit in sehr günstigen Betriebsbereichen betrieben werden.
  • Eine kurzfristige Reaktion auf Parameteränderungen wird dadurch unterstützt, daß eine kontinuierliche Messung und Auswertung durchgeführt wird.
  • Zur zeitlichen Optimierung des Zündzeitpunktes wird vorgeschlagen, daß eine zeitliche Lage des Verbrennungsbeginns meßtechnisch erfaßt und ausgewertet wird.
  • Die Erzielung eines gleichmäßigen Verbrennungsvorganges kann dadurch unterstützt werden, daß sowohl der maximal auftretende Verbrennungsdruck als auch die zeitliche Lage des maximal auftretenden Verbrennungsdruckes meßtechnisch erfaßt und ausgewertet wird.
  • Zu einer optimalen Steuerung des Verbrennungsvorganges trägt ebenfalls bei, daß der maximal auftretende Verbrennungsdruckgradient meßtechnisch erfaßt und ausgewertet wird.
  • Zusätzliche Analysemöglichkeiten werden dadurch bereitgestellt, daß eine Auswertung des vollständigen Verbrennungsdruckverlaufs durchgeführt wird.
  • Insbesondere ist hierbei daran gedacht, daß eine Auswertung zur Erfassung von Verbrennungsaussetzern durchgeführt wird.
  • Ebenfalls ist es möglich, daß eine Auswertung zur Erfassung einer verschleppten Verbrennung durchgeführt wird.
  • Darüber hinaus erweist es sich als vorteilhaft, daß eine Auswertung zur Erfassung eines klopfenden Betriebes durchgeführt wird.
  • Ein vereinfachter Auswertungsablauf wird dadurch bereitgestellt, daß eine Auswertung unter Verwendung von Grenzwerten durchgeführt wird.
  • Komplexere Optimierungskriterien können dadurch erfüllt werden, daß eine Auswertung unter Verwendung von Grenzkurven durchgeführt wird.
  • Eine Möglichkeit zur Beeinflussung des Verbrennungsverhaltens besteht darin, daß in Abhängigkeit vom Auswertungsergebnis eine Beeinflussung des Zündzeitpunktes durchgeführt wird.
  • Ebenfalls ist es möglich, daß in Abhängigkeit vom Auswertungsergebnis eine Beeinflussung des Luftverhältnisses durchgeführt wird.
  • Darüber hinaus ist daran gedacht, daß in Abhängigkeit vom Auswertungsergebnis eine Beeinflussung des Motorlast durchgeführt wird.
  • Zur Berücksichtigung zusätzlicher Motorparameter wird vorgeschlagen, daß zusätzlich eine meßtechnische Erfassung der Abgastemperatur durchgeführt wird.
  • Darüber hinaus ist daran gedacht, daß zusätzlich eine meßtechnische Erfassung des Ladedruckes durchgeführt wird.
  • Ebenfalls ist es möglich, daß zusätzlich eine meßtechnische Erfassung der Lagertemperatur durchgeführt wird.
  • In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:
  • 1 ein schematisches Blockschaltbild zur Veranschaulichung der wesentlichen Funktionskomponenten,
  • 2 ein Ablaufdiagram zur Veranschaulichung des Rege lungsvorganges und
  • 3 einen beispielhaft dargestellten Verbrennungsdruckverlauf.
  • 1 zeigt ein Blockschaltbild der Vorrichtung zur Regelung eines gasbetriebenen Motors (1). Der Motor weist eine Mehrzahl von Zylindern (2) auf und ist mit einer Abtriebswelle (3) versehen. Jeder der Zylinder (2) ist mit einem Sensor (4) zur Messung des Verbrennungsdruckes ausgestattet. Die Sensoren (4) sind an eine Datenübertragungseinrichtung (5) angeschlossen, die die Druckmesswerte zu einer Auswertungseinheit (6) weiterleitet. Die Auswertungseinheit (6) ist mit einem Motorregler (7) verbunden, der diverse Stellgrößen für den Motor (1) vorgibt. Insbesondere ist hier an die Vorgabe des Zündzeitpunktes, des Luftverhältnisses sowie der Motorlast gedacht.
  • Der Motorregler (7) steht darüber hinaus mit einer Mischeinrichtung (8) in Verbindung, die ein Mischungsverhältnis von Brenngas und Verbrennungsluft vorgibt. Die Mischeinrichtung (8) ist an die einzelnen Zylinder (2) angeschlossen.
  • 2 zeigt einen typischen Ablauf zur Verfahrensdurchführung. Nach Durchführung einer Initialisierungsphase beim Motorstart erfolgt kontinuierlich eine Messung der Druckverläufe im Bereich der Zylinder (2). Nach einer Auswertung der Druckverläufe unter Verwendung der Auswertungseinheit (6) wird parallel ein Kennwertevergleich sowie eine Kurvenformanalyse durchgeführt. Der Kennwertevergleich bezieht sich auf die Auswertung des maximal auftretenden Verbrennungsdruckes, die Auswertung des maximal auftretenden Verbrennungsdruckgradienten, die Auswertung der zeitlichen Lage des maximal auftretenden Verbrennungsdruckes sowie die Auswertung der zeitlichen Lage des Verbrennungsbeginns.
  • Bei der Kurvenformanalyse wird ausgewertet, ob ein klopfender Betrieb vorliegt, ob Aussetzer auftreten sowie ob eine Grenzkurvenüberschreitung vorliegt.
  • Sowohl beim Kennwertevergleich als auch bei der Kurvenformanalyse kann bereits das Auftreten einer einzigen unzulässigen Abweichung bzw. eine Überschreitung vorgegebener Grenzwerte dazu führen, daß eine Änderung der Motorbetriebsparameter durch den Motorregler (7) entsprechend einem vorher festgelegten Regelkonzept durchgeführt wird. Die Änderung der Motorbetriebsparameter kann sich beispielsweise auf den Zündzeitpunkt, das Luftverhältnis oder die Motorlast beziehen. Die Auswirkungen der Änderung der Motorbetriebsparameter werden bei den nächsten Durchläufen hinsichlich des Kennwertevergleiches und der Kurvenformanalyse sofort festgestellt, wodurch gegebenenfalls weitere Änderungen erfolgen können. Der vorstehend beschriebene Verfahrensablauf wird während des Motorbetriebes kontinuierlich durchgeführt und wiederholt.
  • 3 zeigt einen Verbrennungsdruckverlauf in Abhängigkeit von einer jeweiligen Kurbelstellung. Es sind ein normaler Druckverlauf, ein Druckverlauf bei klopfendem Betrieb sowie ein Druckverlauf bei Verbrennungsaussetzern zu erkennen.

Claims (19)

  1. Verfahren zur Regelung von gasbetriebenen Motoren, bei denen eine meßtechnische Erfassung des Verbrennungsdruckes in mindestens einem Zylinder des Motors durchgeführt wird und bei dem in Abhängigkeit von einer Auswertung des Verbrennungsdruckes eine Steuerung einer Brennstoffzufuhr durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsdruck in jedem Zylinder meßtechnisch erfaßt und anschließend ausgewertet wird und daß die Auswertung zeitlich unmittelbar nach der meßtechnischen Erfassung der Druckwerte durchgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine kontinuierliche Messung und Auswertung durchgeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine zeitliche Lage des Verbrennungsbeginns meßtechnisch erfaßt und ausgewertet wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein maximal auftretender Verbrennungsdruck meßtechnisch erfaßt und ausgewertet wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Lage des maximal auftretenden Verbrennungsdruckes meßtechnisch erfaßt und ausgewertet wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der maximal auftretende Verbrennungsdruckgradient meßtechnisch erfaßt und ausgewertet wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswertung des Verbrennungsdruckverlaufs durchgeführt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswertung zur Erfassung von Verbrennungsaussetzern durchgeführt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswertung zur Erfassung einer verschleppten Verbrennung durchgeführt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswertung zur Erfassung eines klopfenden Betriebes durchgeführt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswertung unter Verwendung von Grenzwerten durchgeführt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswertung unter Verwendung von Grenzkurven durchgeführt wird.
  13. verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit vom Auswertungsergebnis eine Beeinflussung des Zündzeitpunktes durchgeführt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit vom Auswertungsergebnis eine Beeinflussung des Luftverhältnisses durchgeführt wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit vom Auswertungsergebnis eine Beeinflussung des Motorlast durchgeführt wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine meßtechnische Erfassung der Abgastemperatur durchgeführt wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine meßtechnische Erfassung der Lagertemperatur durchgeführt wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine meßtechnische Erfassung des Ladedruckes durchgeführt wird.
  19. Vorrichtung zur Regelung von gasbetriebenen Motoren, die mindestens einen Sensor zur meßtechnischen Erfassung des Verbrennungsdruckes in mindestens einem Zylinder des Motors aufweist und die mit einer Auswertungseinheit für eine Analyse des Verbrennungsdruckes sowie mit einer Steuereinheit zur Vorgabe einer Brennstoffzufuhr versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zylinder mit einem Sensor zur meßtechnischen Erfassung des Verbrennungsdruckes versehen ist, daß jeder der Sensoren mit der Auswertungseinheit verbunden ist und daß die Auswertungseinheit als Teil eines geschlossenen Regelkreises zur Motorsteuerung ausgebildet ist.
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